В области инженерного мерзлотоведения в 70-х годах сотрудниками института были получены интересные научные результаты, основанные как на лабораторных опытах, но, главное, на натурных экспериментах и наблюдениях за динамикой теплообмена и механического взаимодействия сооружений со средой.

В 1973 г. И.Н.Вотяковым были обобщены результаты многолетних экспериментальных исследований физико-механических свойств мерзлых и оттаивающих грунтов Якутии, проведенных в полевых и лабораторных условиях. Эта работа, опубликованная впоследствии в виде монографии (Вотяков, 1975), помимо научного значения представляет собой исключительно ценный труд как справочное и учебное пособие. В ней раскрыты основные закономерности изменения физико-механических свойств мерзлых и оттаивающих грунтов в зависимости от их генезиса, состава, температуры и основных физических показателей, а также взаимосвязи последних. На этом основании И.Н.Вотяковым рекомендованы расчетные зависимости для определения плотности и относительной осадки мерзлых грунтов при оттаивании по одной только их влажности. Им установлено, что в широком диапазоне отрицательных температур содержание не замерзшей воды в любых типах мерзлых грунтов соответствует их максимальной гигроскопической влажности. Он впервые использовал ультразвуковой метод для изучения структурных преобразований в мерзлых и протаивающих грунтах и установил, что звукопроводимость определяется в основном соотношением в них воды в виде жидкой и твердой фаз, а следовательно, температурой, дисперсностью, минерализацией и влажностью грунтов. И.Н.Вотяков выявил механизм очень больших температурных деформаций мерзлых глинистых грунтов. Развивающиеся во времени самопроизвольные деформации мерзлых глинистых грунтов при изменении их температуры И.Н.Вотяков назвал термореологическими процессами, а раздел науки реологии, изучающей закономерности развития длительных температурных деформаций без приложения внешней нагрузки - термореологией мерзлых грунтов. Им также был предложен и обоснован ускоренный метод определения предельно-длительного сцепления мерзлых грунтов.

Много внимания лаборатории и станции института уделяли научно-техническому обоснованию принципов и методов транспорта газа в различных районах криолитозоны. Первые натурные наблюдения на строящемся газопроводе Тас-Тумус - Якутск были выполнены Г.П.Кузьминым. На основании проведенных наблюдений и физического моделирования им было установлено, что морозобойные трещины и неравномерное пучение грунтов в условиях незначительного их проявления не оказывают серьезного воздействия на трубопровод (Кузьмин, 1967,1969)

В 1972-1973 гг. на небольшом глубоко заглубленном (1,0-1,5 м) участке газопровода ГРС - Якутская ГРЭС Г.В.Славиным были проведены наблюдения за динамикой температурного режима грунтов и вертикальными перемещениями трубопровода, находящегося под небольшим давлением (6-7 атм.). Были зафиксированы лишь небольшие деформации трубопровода.

С целью изучения состояния газопровода Мессояха-Дудинка-Норильск-Талнах, накопления данных взаимодействия трубопровода c окружающей средой была организована в 1970 г. Северо-Енисейская экспедиция Игарской научно-исследовательской мерзлотной станции во главе с В.Ф.Ермаковым. Инженерно-геокриологическим отрядом в составе Ю.С.Шумакова, И.А.Иванова, Г.Н.Поповой, Л.П.Попова, В.Ф.Шумаковой, Т.С.Федиковой были проведены исследования на опорных участках трассы газопровода.

В результате была дана общая физико-геокриологическая характеристика района, изучены мерзлотно-геологические условия по трассе, представлены результаты нивелировочных работ и определений физико-механических свойств грунтов (1971).

Прогнозирование теплового взаимодействия подземных магистральных газопроводов с многолетнемерзлыми грунтами является одной из наиболее сложных задач. Теоретические разработки этой проблемы основаны, главным образом, на предположении о стационарности процесса теплообмена и не обеспечивают необходимую точность прогноза, особенно в переходные периоды года. В связи с этим Институтом мерзлотоведения СО АН СССР по поручению ГКНТ СМ СССР и заказу института "Союзгазпроект" под руководством Р.М.Каменского в 1975-1977 годах были проведены исследования на действующем газопроводе Тас-Тумус - Якутск. В экспедиционных и лабораторных работах принимала участие большая группа сотрудников института (Бабий Н.М., Голдырева А.П., Голиков Г.И., Потибенко А.К., Давыдов В.К., Давыдова Л.Д., Джура Г.А., Метляева Э.А., Мясникова Л.В. и Турбина М.И.). На основании данных натурных наблюдений и математического моделирования установлены влияние просеки и строительных работ на изменение геокриологических условий и общие тенденции этих изменений; особенности теплового взаимодействия подземных участков магистрального газопровода с грунтами, вызванные изменениями температуры газа в надземных участках; предложены эмпирические формулы для определения глубины протаивания у газопровода и ее изменения по длине участка (Каменский Р.М., Метляева Э.А., Мясникова Л.В. и Турбина М.И., 1977).

В 1978 г. группой сотрудников Института мерзлотоведения (Павлов А.В., Константинов И.П., Суходровский В.Л., Скрябин С.З.) были разработаны и опубликованы "Рекомендации по выбору и подготовке строительных площадок в тундровой зоне, инженерной и биологической рекультивации участков, нарушенных в результате строительства газопроводов". В 1980 году на основе этих рекомендаций сотрудниками Института мерзлотоведения (Павлов А.В., Константинов И.П., Суходровский В.Л., Скрябин С.З., Каменский Р.М., Макаров В.Н.), ВСЕГИНГЕО (Невечеря В.Л., Москаленко Н.Г., ) и Норильскгазпрома (Райский О.А.) было составлено и опубликовано "Временное руководство по защите ландшафтов при прокладке газопроводов на Крайнем Севере" .

Перспектива строительства в районах Крайнего Севера большого количества магистральных газопроводов и дефицит высококачественных стальных труб высокого давления вызвали поиски новых способов транспорта природного газа. Ученым Советом Всесоюзного научно-исследовательского института по строительству магистральных газопроводов (ВНИИСТом) было принято решение оценить возможность транспортировки газа по тоннелям, пройденным в толще многолетнемерзлых грунтов. Исследования было предложено провести Институту мерзлотоведения СО АН СССР. Их основные задачи заключались в определении максимально допустимого давления в тоннеле и оценке газопроницаемости и сублимационного выветривания мерзлых грунтов. Исследования проводились в лабораторных условиях на физических моделях и в экспериментальном тоннеле, построенном на территории института на глубине 23 м. В них под руководством Г.П.Кузьмина принимали участие Белолюбский Н.Н., Голиков Г.И., Калашников В.З., Чеховский И.Ф., Яковлев А.В., Лобашов В.М., Окоемов П.П., Степанов Н.И. Исследованиями были установлены основные закономерности напорной фильтрации жидкостей и газов в мерзлых грунтах, получены количественные зависимости сублимации льда от определяющих факторов в условиях транспортировки газа и допускаемого давления от параметров тоннеля и физико-механических свойств окружающих грунтов. Сделан вывод о нецелесообразности строительства тоннельных газопроводов. Результаты исследований изложены в двух научно-технических отчетах (Кузьмин, 1973, 1974), в монографии Кузьмина Г.П. "Исследование устойчивости напорных выработок в мерзлых грунтах" (1977) и в его диссертации, которую он успешно защитил в 1979 году.

При промышленном освоении Севера и Северо-Востока страны важное значение приобретает вопрос хранения нефти, нефтепродуктов, газового конденсата и других жидкостей. Мерзлые грунты, обладающие при определенных условиях достаточно высокой прочностью и малой проницаемостью, могут служить средой для создания подземных хранилищ различного назначения. Институтом мерзлотоведения наряду с другими институтами страны в 1977 г. были начаты экспериментальные исследования, направленные на разработку гидравлического способа создания резервуаров и изучение тепло- массообменных процессов при их взаимодействии с вмещающими мерзлыми грунтами. Экспериментальные исследования были проведены под руководством Г.П.Кузьмина и А.В.Яковлева и участии Бабия Н.М., Голдыревой А.П., Голикова Г.И., Давыдова В.К., Скляренко В.Д., Тарасова А.А., Чеховского И.Ф. Результаты исследований изложены в научно-технических отчетах (Кузьмин, 1977; Кузьмин, Скляренко, Яковлев, 1979).

Разведка и освоение нефтяных и газовых месторождений на арктическом шельфе потребовали решения ряда сложных научно-технических проблем, связанных с возведением и обеспечением устойчивости искусственных оснований для производства буровых работ, размещения технологического оборудования и других целей. В связи с этим ВПО "Комигазпром" поставило перед Игарской НИМС ИМЗ СО АН СССР задачу разработать и экспериментально проверить различные конструкции искусственных оснований для целей разведочного бурения на шельфе в районе мыса Харасавэй. Технический Совет Игарской НИМС принял решение начать ее разработку с экспериментального изучения возможности возведения и обеспечения сезонной устойчивости ледового основания. Исследования были проведены по договору с ОКТБ "Союзтехморнефтегаз". В них принимала участие большая группа сотрудников станции и института. На основании крупномасштабных натурных экспериментов были сформулированы и проанализированы основные научные и технические задачи создания и обеспечения сезонной и многолетней устойчивости искусственных ледовых оснований на мелководном арктическом шельфе. Установлена количественная зависимость скорости намораживания льда из морской и пресной воды в зависимости от температуры воздуха и технологии намораживания. Результаты исследований представлены в обобщающем отчете (Каменский Р.М., Цацко М.В., Константинов И.П., Сергеев Б.П., 1981) и ряде научных статей в ведущих журналах страны.

В результате этих работ были получены натурные данные по динамике тепловлажностного режима земляных плотин лиманного назначения в годичном и многолетнем циклах; показано влияние водопропускных сооружений на термический режим устоев плотин; вскрыты причины потери устойчивости сооружений, вызванных криогенными процессами.

Материалы исследований были обобщены Р.В.Чжаном в диссертационной работе "Исследование теплового режима низконапорных земляных плотин для лиманного орошения в условиях Центральной Якутии" (1977). Кроме того, под научным руководством и участии Р.М.Каменского была составлена и опубликована коллективная монография "Проектирование плотин для оросительных мелиораций в Центральной Якутии" (1976)

В начале 70-х годов для водоснабжения и ирригации трех районов Якутской АССР рассматривался вариант перекачки вод р. Амги в верховья р. Татты. Система предполагала сооружение мощных насосных станций, напорных трубопроводов диаметром 1000 мм и длиной 43 км, поднимающих воду на высоту 152 м, и регулирующего водохранилища емкостью 88 млн м3. Из регулирующего водохранилища вода периодически должна была сбрасываться вниз по долине р. Татты и заполнять каскад из 19 постоянных и сезонных водохранилищ, расположенных на различных участках долины общей протяженностью 150 км.

Для обоснования проектных решений сотрудниками Института были выполнены специальные геокриологические исследования. Полевые работы выполнялись под руководством М.С.Иванова В.И.Спесивцевым, Ю,Ф.Романовым, А.С.Сто-гановым. В отчете (Арэ Ф.Э., Иванов М.С., Павлов А.В., Романов Ю.Ф. и Цветкова С.Г., 1972) подчеркивалась необходимость учета содержания подземных льдов и развития термоэрозионных форм рельефа. Указывалось, что объем водохранилища во время эксплуатации будет увеличиваться за счет просадок, рекомендовалось обеспечивать устойчивость земляных плотин на льдистых отложениях долины р. Татты их промораживанием до заполнения водохранилищ; давались рекомендации по защите мест примыкания плотины к льдистому береговому склону и др.

Первым шагом в создании энергетической базы в южных районах Якутии, входящих в зону БАМа, явилось строительство Нерюнгринской ГРЭС. Институт мерзлотоведения СО АН СССР провел в 1975 г. инженерно-геокриологические исследования на площадке ГРЭС, в створе каменно-набросной плотины и в ложе водохранилища на р. Олонгоро. Необходимо было установить границы распространения, мощность и температурный режим многолетнемерзлых грунтов, изучить количественное содержание и строение подземных льдов в мерзлых грунтах, выявить криогенные процессы, которые могут оказать влияние на устойчивость сооружения и обосновать принципы строительства главного корпуса ГРЭС и плотины. Полевые исследования проводились Р.В.Чжаном и Н.В.Шараповым с участием В.З.Калашникова, В.К.Давыдова, Г.И.Голикова и А.К.Потибенко. По результатам этих работ заказчику - Новосибирскому отделению института "Теплоэлектропроект", был представлен научно-технический отчет с рекомендациями (Чжан, Шарапов, 1976).

Первой крупной гидроэлектростанцией, построенной в области сплошного распространения многолетнемерзлых грунтов, является Вилюйская ГЭС. Строительство плотины здесь велось в течении 1963-1967 гг., а заполнение водохранилища осуществлено в период с 1967 по 1973 гг.

На первом этапе строительства наблюдения за температурным режимом плотины проводились ВНИИГом им. Б.Е.Веденеева. Затем с 1966 г. к организации и проведению термометрических наблюдений на плотине и других сооружениях гидроузла приступила Вилюйская научно-исследовательская мерзлотная станция Института мерзлотоведения СО АН СССР. Начальником вновь создаваемой станции в 1965 г. был назначен Р.М.Каменский. В 1971 г. в связи с переводом Р.М.Каменс-кого в г. Якутск на должность заместителя директора института по научной работе, начальником станции был назначен В.И.Макаров (1971), затем его сменил Б.А.Оловин (1972-1974 гг.), потом один год возглавлял станцию В.П.Бурдуков (1975 ), а с 1976 года бессменным руководителем Вилюйской НИМС является А.М.Снегирев.

Р.М.Каменский одновременно с формированием нового научного коллектива и созданием материально-технической базы, организовал сложные и трудоемкие натурные наблюдения за динамикой термического режима плотины ГЭС. Формирование температуры пород основания и тела плотины происходит под воздействием различных факторов, главными из которых является теплообмен "сухой" поверхности сооружения с атмосферой и тепловое воздействие водохранилища и нижнего бьефа. Поэтому одновременно с исследованием термического режима плотины были начаты наблюдения за динамикой теплового состояния водохранилища.

Натурные наблюдения и предварительная обработка материалов исследований были выполнены сотрудниками станции Е.И.Нектегаевым, Ю.А.Анненковым, Т.Ф.Сидоровой и др. Результаты этих наблюдений были изложены Р.М.Каменским в научно-техническом отчете (1974) и опубликованы в научных статьях и монографии для СП "Термический режим плотины и водохранилища Вилюйской ГЭС". Р.М.Каменский установил основные особенности формирования термического режима каменно-набросных плотин талого типа, возводимых на мерзлых грунтах, выявил существенные различия в динамике термического режима водохранилища и подобных водоемов в умеренных широтах, установил влияние многолетнемерзлых грунтов ложа водохранилища на температурный режим водоема, а также характер и динамику оттаивания мерзлых грунтов бортов долины под влиянием водохранилища.

В этот же период научной деятельности Р.М.Каменский на основе теоретических исследований по заказу института "Якутнипроалмаз" разработал методику теплотехнического расчета продолжительности образования сплошной льдогрунтовой противофильтрационной завесы с учетом взаимного теплового влияния замораживающих колонок и обосновал общий методический подход к прогнозу термического режима плотин мерзлого типа. Методика в последующем была включена в ряд нормативных документов (Рекомендации ВНИИВОДГЕО, 1976; Рекомендации (II-844-86), Гидропроект, 1986) и вошла в некоторые учебные пособия.

В 1970 г. были начаты исследования переработки берегов первого в зоне вечной мерзлоты водохранилища Вилюйской ГЭС, которые продолжались до 1974 г. (И.П.Константинов, В.И.Спесивцев, Н.А.Спесивцева, А.К.Донченко и Л.В.Калина). В дальнейшем эпизодические наблюдения на водохранилище проводились под руководством Ф.Э.Арэ сотрудниками Института и Вилюйской НИМС. Этими исследованиями было установлено, что подрусловой талик в русле реки расширяется до границы постоянного затопления со средней скоростью 1,0-1,5 м/год. За пределами этой границы температурный режим грунтов изменяется незначительно. Выявлена тесная связь формирования подводного берегового склона, характера и скорости разрушения берегов с процессом оттаивания многолетнемерзлых грунтов. Переработка берегов водохранилища происходит медленнее, чем на аналогичных водохранилищах в других районах Сибири и Центральной России.

Значительная часть широко применяемых в Якутии низконапорных земляных плотин для ирригационных целей и водоснабжения поселков и отдельных объектов разрушалась в первые же годы эксплуатации. Такое положение сложилось не только из-за низкого качества строительных работ, а, главным образом, из-за недостаточного учета особенностей строительства и эксплуатации плотин в районах распространения многолетнемерзлых грунтов. В связи с этим Институтом мерзлотоведения в 1977-1980 гг. были проведены исследования с целью разработки рекомендаций по прогнозу температурного режима плотин низкого и среднего напора для различных климатических и геокриологических условий (Чжан, 1980). Были установлены сроки промерзания плотин лиманного типа в зависимости от их высоты, климатических условий, мощности снежного покрова, во многих случаях было рекомендовано применение замораживающих устройств.

Группа сотрудников лаборатории физики и механики мерзлых грунтов по договору с Якутским филиалом Красноярского Промстрой НИИпроекта в 1977-1978 гг. провела исследования температурного режима насыпи и ее основания (при застройке в г. Якутске пойменной территории) после ее формирования гидронамывом из речного песка (Константинов И.П., 1977; Константинов И.П., Махотко С.П. и Ли Г.Е., 1978). Расчетным путем были установлены закономерности формирования температурного режима в теле и основании насыпи при различном режиме намыва при наличии и отсутствии фильтрации воды.

В инженерной практике применяется замораживание грунтов с целью повышения их прочности и создания водонепроницаемых льдогрунтовых завес. Были предложены различные методы и средства замораживания талых и охлаждения мерзлых грунтов. Один из них - использование жидкостных коаксиальных термосифонов. По постановлению ГКНТ СССР (1972 г.) Вилюйская НИМС выполнила исследования гидродинамики и теплообмена в контуре термосифона и формирования температурного поля вмещающих грунтов.

Исследования были проведены под научным руководством В.И.Макарова сотрудниками Вилюйской НИМС Бартлемановым Э.Е., Ивачевым В.А., Кучмой В.А., Лихоманенко А.П., Макаровой Л.В. и др. Их результаты изложены в ряде отчетов (Макаров В.И., 1973, 1974, 1976). В частности, были установлены закономерности теплообмена термосифонов с окружающей средой, предложены эффективные конструктивные модификации жидкостных термосифонов, разработан инженерный метод их расчета, впервые получены материалы о температурном режиме грунтов в основании здания, построенного на "холодных" сваях, погруженных в талик.

Материалы этих исследований послужили основой диссертационной работы В.И.Макарова "Создание противофильтрационных элементов в земляных плотинах мерзлого типа посредством жидкостных замораживающих устройств" (1978).

Развитие в Западной Якутии алмазодобывающей отрасли и энергетических комплексов потребовало прокладки линий электропередачи (ЛЭП) большой протяженности. В связи с этим возникла необходимость разработки оптимальных конструктивных решений фундаментов опор ЛЭП.

В 1975 г. Вилюйской НИМС по договору с предприятием Западных Электрических Сетей РЗУ "Якутэнерго" были организованы комплексные исследования геокриологических условий на трассе ЛЭП и наблюдения за состоянием опор. В результате были разработаны рекомендации по предотвращению аварийных вертикальных перемещений фундаментов опор ЛЭП (Макаров В.Н., Окружнов С.В., Спесивцев В.И., Спесивцева Н.А., 1977).

В 1977-1980 гг. проводились исследования зависимости прочности мерзлых грунтов от скорости нагружения, уровень изученности которой оставался невысоким. Экспериментальные данные вследствие применения несовершенной методики и аппаратуры были довольно противоречивыми. В исследованиях принимали участие Дерюгин А.Г., Голдырева А.П., Кырбасов С.В., Константинова Е.Ф., Лобашов В.М. и Тарасов А.А.. Их результаты изложены в четырех научно-технических отчетах (Дерюгин А.Г., Кырбасов С.В., 1977; Дерюгин А.Г., 1977, 1978, 1980).

Широкое распространение подземных льдов часто вызывает затруднение в выборе площадок для строительства инженерных сооружений. В связи с этим в Институте мерзлотоведения проводились лабораторные исследования прочностных и деформационных свойств льда. Полученные закономерности изменений длительных прочностных характеристик льда при различных температурах и условиях нагружения показали возможность использования его как основания сооружений. На подземных льдах были построены каменное здание школы в п. Покровск, дизельная электростанция в п. Чурапча, комплекс сооружений ремонтно-механических мастерских в п. Мохсоголох, помещение клуба в п. Амга, административное здание в п. Чокурдах и др. Результаты исследований деформационных и прочностных свойств льда обобщены Е.И.Гайдаенко в монографии "Исследование льдов в качестве основания сооружений".

Поиски новых типов фундаментов зданий и сооружений на мерзлых основаниях привели к необходимости исследования теплового и механического взаимодействия буронабивных свай с мерзлыми грунтами. Исследования проводились в лабораторных условиях и на опытной площадке (Каменский Р.М., Гайдаенко Е.И., 1975, Гайдаенко Е.И., 1980). В исследованиях принимали участие сотрудники лаборатории физики и механики мерзлых грунтов: Бабий Н.М., Голдырева А.П., Голиков Г.И., Давыдов В.К., Колесников В.З., Константинова Е.Ф., Мясникова Л.В., Меренков В.Н. и Яковлев А.В. На основе полученных данных разработаны "Временные рекомендации по проектированию и устройству буронабивных свай в вечномерзлых грунтах" (Гайдаенко, 1979).

В 1973 г. были разработаны оптимальные типы фундаментов для станков глубокого бурения в условиях многолетней мерзлоты и методика их расчета (Каменский Р.М., Кутасов И.М., Гайдаенко Е.И., 1973), а в 1975 выполнены исследования термического режима грунтов основания ангара Якутского аэропорта (Гайдаенко Е.И., 1975).

В связи с подземной разработкой алмазоносных руд в Западной Якутии возникла проблема устройства копров шахтных стволов. При малом весе копра возможна его установка непосредственно на крепь ствола. В этом случае возникает задача исследования продольной устойчивости крепи ствола, конструктивно единой с фундаментом копра. На основе принятой расчетной схемы крепи как упругого стержня, изгибаемого в линейно-деформируемой среде, И.Е.Гурьяновым (1979) установлены закономерности деформирования вершины крепи в зависимости от веса копра, размера талой зоны и деформационных свойств грунтов и показана для конкретных мерзлотно-грунтовых условий возможность опирания башенных копров на крепь шахтного свода.

На просадочных или сильно сжимаемых при оттаивании мерзлых грунтах строительство копров осуществляется по принципу I. Поэтому фундаменты копров выносят за пределы талого ореола, образующегося вокруг ствола, или принимают конструктивные мероприятия, ограничивающие протаивание грунтов вблизи устья ствола.

И.Е.Гурьяновым разработана новая конструкция фундаментов копра, гарантирующая мерзлое состояние грунтов основания без устройства проветриваемого подполья и обеспечивающая максимальное сокращение талого ореола вокруг ствола в зоне опирания фундаментов, и выполнено расчетное обоснование ее надежности (1980).

Первая страница

(c) 2001